JP4265928B2

JP4265928B2 - 光電式エンコーダ

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Publication number: JP4265928B2
Application number: JP2003134677A
Authority: JP
Inventors: 健司小島
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: JP2004340613A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密測定に使用される光電式エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から直線変位や角度変位などの精密な測定に光電式エンコーダ（以下、「エンコーダ」という場合もある。）が利用されている。エンコーダは三次元測定機や画像測定機などに搭載される。エンコーダは、光源と、光学格子を含むスケールと、複数の受光素子を含むと共に光源と一緒にスケールに対して相対移動可能に配置され各々が互いに位相の異なるインデックス格子を受光面に備えた受光部と、を備えている。
【０００３】
具体的には、Ａ、Ｂ、ＡＡ、ＢＢの各相の検出用の受光素子（ＰＤ）を上下左右に近接配置し、これら各受光素子の受光面上に空間位相をそれぞれ９０°ずつ異ならせたインデックス格子を配置する。また、受光素子自体を細く分割して格子状に配列させることにより、受光素子自体でインデックス格子を兼用させて、小型化と低コスト化とを図った光電式エンコーダも知られている（例えば特許文献１）。この光電式エンコーダの場合、同相信号を検出する受光素子を空間的に分散させることにより、バーストノイズの影響を少なくすることが出来るという利点がある。更に、両者の中間形態として、数本分のインデックス格子に共通の受光素子を割り当て、同相信号を検出する受光素子同士を分散させるように配置させた光電式エンコーダも知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１９０８０８号公報（段落［０００３］、［０００４］、［００１０］、［００１１］、図１、図２、図５、図６）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、受光素子からの各相の信号を取り出すために、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子の上にＡｌ等の金属配線層が形成され、この金属配線層と受光素子とをコンタクトホール等により接続することがなされている。通常は、受光素子の受光面を金属配線層が覆うことがないように、金属配線層を受光面となる拡散領域の端部に配置し、拡散領域の端部と金属配線層とをコンタクトホールで接続する。しかし、この場合、金属配線層と接続された側の端部とは反対側の端部から取り出される信号は、抵抗値が高い拡散領域を経由して取り出されることになるので、信号伝搬の遅延が問題となる。そこで、特許文献１に開示されているように、受光素子の１つの拡散領域と次の拡散領域との間のスペースに金属配線層を配置して、受光素子の長手方向の複数箇所で受光素子と金属配線層とのコンタクトをとることにより、受光素子の内部での信号伝搬遅延による影響が少なくなるようにしたものも知られている。
【０００６】
しかし、この場合、受光素子の拡散領域と拡散領域との間に金属配線層が形成されているので、受光素子である基板（例えばＰ型Ｓｉ基板）とＡｌ配線層との間に寄生容量Ｃsubが発生し、これがエンコーダの高速応答性を妨げる要因となるという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、受光面の有効受光面積を大きくすること及び配線により生じる容量を低減することが可能な光電式エンコーダを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光電式エンコーダは、光源と、光源からの光が照射されて測定軸に沿った光の明暗パターンを生成する第１光学格子を含むスケールと、このスケールに対して光源と共に相対移動可能に配置されて第１光学格子により生成された測定軸に沿う明暗パターンが入射される受光面を有する受光素子と、受光素子の受光面上に配置され第１光学格子による明暗パターンの周期に対応させて周期的に光透過部と導電性遮光部とが交互に配置されてなる第２光学格子と、導電性遮光部とこの遮光部の直下の受光面とを電気的に接続するコンタクト部と、導電性遮光部と接続された配線とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る光電式エンコーダによれば、第２光学格子の導電性遮光部が受光素子に接続される配線を兼ねるようにし、かつ導電性遮光部とこの遮光部の直下の受光面とを電気的に接続するコンタクト部を設けている。このため、受光面の有効受光面積を大きくすることができる。また、導電性遮光部と受光素子とがコンタクト部により接続されるので、これらの間で容量が形成されるのを防止できる。したがって、配線により生じる容量を低減することができる。
【００１０】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、各導電性遮光部は、測定軸と直交する方向に延び、この導電性遮光部の延びる方向の複数箇所でコンタクト部を介して受光素子の受光面と接続されている、ようにすることができる。これによれば、コンタクト部と受光面とのコンタクト抵抗を下げることができるので、光電式エンコーダの応答速度を向上させることができる。
【００１１】
本発明に係る光電式エンコーダにおいて、第２光学格子は、複数の導電性遮光部からなるグループを複数備え、導電性遮光部は、グループ間で互いに異なる空間位相をもって配置されている、ようにすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る光電式エンコーダの第１〜第３実施形態を説明する。なお、第２および第３実施形態を説明する図において、既に説明した実施形態の符号で示すものと同一のものについては、同一符号を付すことにより説明を省略する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の概略構成を示す図である。第１実施形態は受光部に含まれる受光チップの構造を主な特徴としているが、この理解の前提として光電式エンコーダ１について説明する。まず、エンコーダ１の構成を説明する。エンコーダ１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、これに近い順に沿って配置されたスケール５と、受光部７とにより構成される。
【００１４】
発光ダイオード３は光源の一例であり、ダイオード３からの光Ｌがスケール５に照射される。スケール５はガラスなどの透明材料から構成される長尺状の透明基板９を含み、図１にはその一部が表れている。透明基板９の発光ダイオード３側に向く面と反対側の面上に第１光学格子１１が形成されている。第１光学格子１１は複数の遮光部１３が所定のピッチを設けてリニヤ状に、かつ各遮光部１３が図面の奥行き方向に延びるように、配置されたものである。遮光部１３は金属（例えばクロム）などから構成される。
【００１５】
受光部７は、スケール５とギャップを設けて配置されている。受光部７はスケール５側に位置する受光チップ１５およびこれが搭載される回路基板１７を含む。受光チップ１５には、図示しない複数のフォトダイオード（以下、「フォトダイオード」をＰＤという場合がある。）が形成されている。これらのＰＤの各受光面が第１光学格子１１側を向いている。ＰＤは受光素子の一例である。受光素子として、ＰＤの替わりにフォトトランジスタを用いることもできる。回路基板１７には、演算用のＩＣチップ１９が搭載されており、受光チップ１５の複数のＰＤで検出された光信号を基にして、ＩＣチップ１９で変位量の演算が実行される。
【００１６】
受光部７は、発光ダイオード３と共にホルダ２１に取り付けられており、ホルダ２１は図中のＸで示すスケール５の長手方向に移動可能にされている。つまり、光電式エンコーダ１は、固定されたスケール５に対して、ホルダ２１を移動させることにより、変位量を測定する。よって、Ｘ方向が測定軸となる（以下、Ｘ方向を「測定軸Ｘ」とする。）。なお、発光ダイオード３と受光部７を固定し、スケール５を移動させて変位量を測定するタイプにも、本発明を適用することができる。したがって、本発明のスケールは、受光部および光源に対して、相対移動可能に配置されている。
【００１７】
次に、光電式エンコーダ１の測定動作について、簡単に説明する。発光ダイオード３から光Ｌをスケール５の第１光学格子１１に照射すると、第１光学格子１１により明暗パターンが生じる。そして、ホルダ２１を測定軸Ｘに沿って移動させることにより生じる明暗パターンの変化（正弦波状の光信号）を、受光チップ１５に形成された各フォトダイオード（ＰＤ）で検出する。つまり、Ａ相（０度）の光信号、Ａ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号、Ａ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号およびＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号が、それぞれに対応するＰＤで検出する。
【００１８】
各光信号により発生した電気信号がＩＣチップ１９に送られる。ＩＣチップ１９では、Ａ相およびＢ相に所定の処理（直流成分の除去等）をした後に、処理されたＡ相およびＢ相を基にして変位量が演算される。この結果を図示しない表示部に出力する。以上が光電式エンコーダ１の動作である。
【００１９】
さて、第１実施形態の主な特徴は受光チップ１５であり、これについて詳細に説明する。まず、受光チップ１５の平面構造から説明する。図２は、図１の第１光学格子１１側から見た受光チップ１５の全体を模式的に表した平面図である。四つのフォトダイオード２３，２５，２７，２９の各受光面３１および各受光面３１を覆うように形成された第２光学格子３３が、第１光学格子と向かい合うｘｙ面に２行２列で配置されている。なお、ｘ軸は図１で説明した測定軸Ｘと向きが一致している。ＰＤ２３，２５の組、ＰＤ２７，２９の組がそれぞれ測定軸Ｘに沿って並んでいる。
【００２０】
第２光学格子３３は、受光面３１上に間隔を設けて配置されたｙ方向（測定軸Ｘと直交する方向）に延びる５本の導電性遮光部３５を有する。言い換えれば、第２光学格子３３は、受光面３１上に配置され、第１光学格子１１による明暗パターンの周期に対応させて周期的に光透過部と導電性遮光部とが交互に配置されてなる。これにより、受光面３１上に位相差が形成される。受光面３１は５本の遮光部３５により、同じ位相の光を受光する六つの領域に分けられる。なお、第２光学格子３３を構成する遮光部３５の数は５本に限定されない。
【００２１】
ＰＤ２７，２９の導電性遮光部３５のピッチは、ＰＤ２３，２５の導電性遮光部３５のピッチに対して、λ／４ずらして配置されている。ここで、λは光信号の波長である。つまり、第２光学格子３３は、複数の導電性遮光部からなるグループを複数備え、導電性遮光部は、グループ間で互いに異なる空間位相をもって配置されている。
【００２２】
図１の光源３から第１光学格子１１に照射された光を基にして生成された位相の異なる四つ（Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相）の光信号が、上記四つのフォトダイオードの対応する受光面３１に入射する。
【００２３】
詳しくは、測定軸Ｘに沿って並べられたＰＤ２３，２５のうち、ＰＤ２３の受光面３１にＡ相（０度）の光信号が入射し、ＰＤ２５の受光面３１にＡ相より１８０度だけ位相がずれたＡＡ相（１８０度）の光信号が入射する。同じく測定軸Ｘに沿って並べられたＰＤ２７，２９のうち、ＰＤ２７の受光面３１にＡ相より９０度だけ位相がずれたＢ相（９０度）の光信号が入射し、ＰＤ２９の受光面３１にＡ相より２７０度だけ位相がずれたＢＢ相（２７０度）の光信号が入射する。以上により、ＰＤ２３でＡ相、ＰＤ２５でＡＡ相、ＰＤ２７でＢ相、ＰＤ２９でＢＢ相の光信号が検出される。
【００２４】
各受光面３１に配置された導電性遮光部３５のうち、中央の導電性遮光部３５-１は配線３７と接続されている。配線３７と導電性遮光部３５とは、同時にパターンニングして形成されたものである。導電性遮光部３５-１の下にはこれと接続された複数のコンタクト部３９が配置されている。これにより、導電性遮光部３５-１は、これの延びる方向の複数箇所でコンタクト部３９を介して受光面３１と接続されている。各受光面３１上に配置されるコンタクト部３９の数は、複数に限らず、１つでもよい。
【００２５】
次に、受光チップ１５の断面構造を説明する。図３は図２の受光チップ１５をIII(a)-III(b)断面から見た模式図である。受光チップ１５は、ｎ型の半導体基板４１を備える。この基板４１の一方の面には、ｐ型の拡散領域４３が形成されている。半導体基板４１と拡散領域４３との接合部がフォトダイオード２３となる。半導体基板４１の一方の面のうち、ｐ型の拡散領域４３が形成されている領域が受光面３１となる。
【００２６】
半導体基板４１の一方の面は、拡散領域４３を覆うようにシリコン酸化膜のような絶縁膜４５で覆われている。絶縁膜４５上には、複数の導電性遮光部３５が間隔を設けて形成されている。遮光部３５の材料は例えば、クロムやアルミニウムのような金属である。
【００２７】
導電性遮光部３５-１と受光面３１との間の絶縁膜４５には、コンタクトホール４７が形成されている。コンタクトホール４７には、導電プラグ（例えばアルミニウム）からなるコンタクト部３９が形成されている。コンタクト部３９は、導電性遮光部３５-１とこの遮光部の直下の受光面３１とを電気的に接続する。
【００２８】
なお、第１実施形態では、導電プラグをコンタクト部３９としているが、遮光部３５となる膜を絶縁層４５上に形成する際に、コンタクトホール４７にこの膜を埋め込んで、これをコンタクト部にしてもよい。
【００２９】
導電遮光部３５を覆うように、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のような保護膜４９が形成されている。半導体基板４１の他方の面の全面にはＰＤ２３，２５，２７，２９の共通電極（例えばＡｕ電極）５１が形成されている。
【００３０】
第１実施形態に係る光電式エンコーダ１の主な効果を説明する。
【００３１】
▲１▼第１実施形態によれば、受光面３１の有効受光面積を大きくできる。これを比較例と対比して説明する。図４は、比較例に係る光電式エンコーダに備えられる一組の第２光学格子３３と受光面３１との配置関係を模式的に示す平面図である。
【００３２】
比較例では、受光面３１上の導電性遮光部３５同士の間に配線３７を配置している。配線３７下のコンタクト部３９が受光面３１とコンタクトしている。配線３９の一部が受光面３１上に位置するので、受光面３１の有効受光面積が減少することになる。これに対して、第１実施形態では、図２に示すように、第２光学格子３３の導電性遮光部３５-１がＰＤ２３に接続される配線３７を兼ねるようにし、かつ導電性遮光部３５-１の下に受光面３１とコンタクトしているコンタクト部３９を設けている。このため、受光面３１の有効受光面積を大きくできるので、高精度なエンコーダにすることができる。
【００３３】
▲２▼第１実施形態では、図３に示すように、導電性遮光部３５-１とｐ型の拡散領域４３との間はコンタクト部３９で接続されている。したがって、この間には容量が形成されない。これにより、光電式エンコーダの応答速度を上げることができる。
【００３４】
▲３▼第１実施形態では、図２に示すように、複数（ここでは三つ）のコンタクト部３９が各受光面３１にコンタクトしている。複数のコンタクト部３９は導電性遮光部３５-１下に配置されているので、コンタクト部３９を増やしても受光面３１の有効受光面積が小さくなることはない。そして、受光面３１が複数のコンタクト部３９とコンタクトしているため、コンタクト部３９と受光面３１とのコンタクト面積（コンタクト面積とは、コンタクト部が一つの場合、受光面とコンタクト部とがコンタクトしている領域の面積のことであり、コンタクト部が複数の場合、上記領域の面積の合計のことである。）を大きくできる。したがって、コンタクト部３９と受光面３１とのコンタクト抵抗を下げることができるので、光電式エンコーダ１の応答速度を向上させることができる。
【００３５】
［第２実施形態］
第２実施形態については、第１実施形態との相違を中心に説明する。図５は、第２実施形態の光電式エンコーダに備えられる受光チップ１５の全体を第１光学格子側から見た場合について、模式的に表した平面図である。図６は、図５のVIで示す領域を拡大した図である。図７は図６をVII(a)-VII(b)断面から見た模式図である。
【００３６】
図５〜図７（特に図５）に示すように、測定軸Ｘに沿って並べられたＡ相用のＰＤ６１、Ｂ相用のＰＤ６３、ＡＡ相用のＰＤ６５、ＢＢ相用のＰＤ６７のセットが二つある。これらのセットが測定軸Ｘに沿って配置されている。受光チップ１５には、測定軸Ｘに沿って四本の配線６９（Ａ相用、Ｂ相用、ＡＡ相用、ＢＢ相用の配線）が設けられている。各配線６９は、対応する位相の信号が流れる配線３７と接続されている。
【００３７】
図７のｐ型の拡散領域４３どうしの間の半導体基板４１には、ｎ⁺型の拡散領域７１が形成されている。これにより、ｐ型の拡散領域４３が隣の拡散領域４３と分離、つまり、各フォトダイオードが素子分離される。
【００３８】
第２実施形態は、第１実施形態に比べて平均化効果を向上させている。以下に説明する。位相の異なる複数の光信号に対応した数のフォトダイオードがあれば、原理的に測定が可能である。したがって、位相の異なる四つの光信号の場合、第１実施形態のようにフォトダイオードが四つあればよい。ところで、光源の光強度分布やスケール面の汚れ等が原因で、光量にバラツキが生じることがある。第１実施形態によれば、各位相の光信号はそれぞれ一箇所で検出されるので、光量のバラツキの影響を受けやすい。例えば、図２に示すＡ相用のＰＤ２３の配置場所が他のＰＤ２５，２７，２９の配置場所に比べて照射される光の強度が弱い場合、Ａ相の出力が弱くなるため、測定精度が低下する。
【００３９】
そこで、第２実施形態では、Ａ相用のＰＤ６１、Ｂ相用のＰＤ６３、ＡＡ相用のＰＤ６５、ＢＢ相用のＰＤ６７を一つのセットとし、測定軸Ｘ方向に沿って、複数のセットを配置したのである。これよれば、各位相の光信号をそれぞれ複数の箇所で検出できるため、光量のバラツキの影響を小さくできる（これを「平均化効果」という。）。
【００４０】
以上のような構成の第２実施形態に係る光電式エンコーダも第１実施形態と同様の効果が生じる。
【００４１】
［第３実施形態］
第３実施形態については、第２実施形態との相違を中心として図８〜図１０を用いて説明する。図８は、第３実施形態の光電式エンコーダに備えられる受光チップ１５の全体を第１光学格子側から見た場合について模式的に表した平面図であり図５と対応する。図９は、図８のIXで示す領域を拡大した図であり、図６と対応する。図１０は図９をX(a)-X(b)断面から見た模式図であり、図７と対応する。
【００４２】
図８〜図１０に示すように、第３実施形態では、第２光学格子３３を構成する複数の導電性遮光部３５のうち、コンタクト部３９と接続されていない導電性遮光部３５-２（他の導電性遮光部の一例）も配線３７に接続されている。これにより、導電性遮光部３５-２の電位を固定することができるので、導電性遮光部３５-２が原因となる浮遊容量の発生を防止できる。
【００４３】
なお、第３実施形態では、中央部の導電性遮光部３５-１以外の導電性遮光部３５もコンタクト部３９と接続されている。したがって、コンタクト部３９の数を増やすことができるので、コンタクト抵抗をさらに下げることができる。
【００４４】
第１〜第３実施形態では、四つの位相の異なる光信号（Ａ相、Ｂ相、ＡＡ相、ＢＢ相の光信号）を用いて変位量を測定しているが、本発明に係る光電式エンコーダはこれに限定されない。例えば、三つの位相の異なる光信号（０度の位相の光信号、０度より１２０度だけ位相がずれた光信号、０度より２４０度だけ位相がずれた光信号）についても、本発明に係る光電式エンコーダに適用できる。
【００４５】
また、Ａ相やＢ相の信号以外にこれらを反転させた、ＡＡ相やＢＢ相の信号を生成しているのは、Ａ相やＢ相の信号に含まれる直流成分の除去、並びに、信号の信頼性及び高速追従性の確保のためである。また、Ａ相およびＢ相を変位量の測定に利用するのは、ホルダ２１（受光部７、発光ダイオード３）の移動方向の判断のためであるので、原理的には、Ａ相のみで変位量の測定が可能である。したがって、本発明は、Ａ相およびＢ相の信号を利用しかつＡＡ相およびＢＢ相の信号を利用しない光電子エンコーダやＡ相の信号のみを利用する光電式エンコーダにも、適用することができる。
【００４６】
また、図１に示すように、第１〜第３実施形態に係る光電式エンコーダ１は、スケール５の第１光学格子１１を透過した発光ダイオード３からの光Ｌを用いて変位量の測定をする、いわゆる透過型のタイプである。しかしながら、反射型のタイプ、つまり、スケール５の第１光学格子１１で反射された発光ダイオード３からの光Ｌを用いて変位量を測定する場合にも、本発明を適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る光電式エンコーダによれば、受光素子の受光面の有効受光面積を大きくできるので、高精度なエンコーダを実現することができる。また、配線により生じる容量を低減することができるので、エンコーダの応答速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光電式エンコーダの概略構成を示す図である。
【図２】図１の第１光学格子側から見た受光チップの全体を模式的に表した平面図である。
【図３】図２の受光チップをIII(a)-III(b)断面から見た模式図である。
【図４】比較例に係る光電式エンコーダに備えられる第２光学格子と受光面との配置関係を模式的に示す平面図である。
【図５】第２実施形態の光電式エンコーダに備えられる受光チップの全体を第１光学格子側から見た平面図である。
【図６】図５のVIで示す領域を拡大した図である。
【図７】図６をVII(a)-VII(b)断面から見た模式図である。
【図８】第３実施形態の光電式エンコーダに備えられる受光チップの全体を第１光学格子側から見た平面図である。
【図９】図８のIXで示す領域を拡大した図である。
【図１０】図９をX(a)-X(b)断面から見た模式図である。
【符号の説明】
１・・・光電式エンコーダ、３・・・発光ダイオード、５・・・スケール、７・・・受光部、９・・・透明基板、１１・・・第１光学格子、１３・・・遮光部、１５・・・受光チップ、１７・・・回路基板、１９・・・ＩＣチップ、２１・・・ホルダ、２３，２５，２７，２９・・・フォトダイオード（ＰＤ）、３１・・・受光面、３３・・・第２光学格子、３５・・・導電性遮光部、３７・・・配線、３９・・・コンタクト部、４１・・・ｎ型半導体基板、４３・・・ｐ型拡散領域、４５・・・絶縁膜、４７・・・コンタクトホール、４９・・・保護膜、５１・・・共通電極、６１，６３，６５，６７・・・フォトダイオード（ＰＤ）、６９・・・配線、７１・・・ｎ⁺型拡散領域

Claims

光源と、
前記光源からの光が照射されて測定軸に沿った光の明暗パターンを生成する第１光学格子を含むスケールと、
このスケールに対して前記光源と共に相対移動可能に配置されて前記第１光学格子により生成された測定軸に沿う明暗パターンが入射される受光面を有する受光素子と、
前記受光素子の受光面上に配置され前記第１光学格子による明暗パターンの周期に対応させて周期的に光透過部と導電性遮光部とが交互に配置されてなる第２光学格子と、
前記導電性遮光部とこの遮光部の直下の前記受光面とを電気的に接続するコンタクト部と、
前記導電性遮光部と接続された配線と
を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。
前記各導電性遮光部は、前記測定軸と直交する方向に延び、この導電性遮光部の延びる方向の複数箇所で前記コンタクト部を介して前記受光素子の受光面と接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の光電式エンコーダ。
前記第２光学格子は、複数の導電性遮光部からなるグループを複数備え、
前記導電性遮光部は、グループ間で互いに異なる空間位相をもって配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電式エンコーダ。